Cảm biến sinh học những ý tưởng và ứng dụng pdf

Cảm biến sinh học những
ý tưởng và ứng dụng

Sự dò tìm có chọn lọc và
định lượng của tất cả các
loại phân tử sinh học
đóng vai trò quan trọng
trong khoa học sinh học,
trong chuẩn đoán lâm
sàng và nghiên cứ y tế, trong việc kiểm soát ô nhiễm môi
trường. Cho tới nay, đó là phương pháp tiêu chuẩn để thu
thập các mẫu trên hiện trường và gửi chúng đến các phòng
thí nghiệm chuyên ngành để phân tích.
Để thực hiện công việc này yêu cầu phải có trang bị máy móc
khá lớn và tốn kém và cũng phải có những bộ phận cán bộ có
năng lực để thực hiện và đánh giá kết quả của nhiều bước
tham gia vào trong quá trình phân tích. Từ một mẫu phẩm
gốc chưa xử lý, ví dụ một mẫu máu, thường bao gồm các
bước sau tách và khuyếch đại cũng như những chuyển đổi và
dò tìm của những phân tử hoá học trong nghi vấn…v.v.

Gần đây, ý tưởng của việc tích hợp tất cả những nhiệm vụ
phòng thí nghiệm này thành một thiết bị cầm tay dễ sử dụng
đã nhận được nhiều sự quan tâm đồng thời bởi những nhà
nghiên cứu và những công ty công nghệ sinh học. Những hệ
thống lab-on-chip (phòng thí nghiệm tích hợp trong chip)
được đưa ra sẽ đơn giản hoá có hiệu quả nhiều nhiệm vụ
trong các lĩnh vực điều trị y tế hoặc nghiên cứu sinh học, và

thậm chí có thể mở ra những ứng dụng hoàn toàn mới. Ví
dụ, những mô người được cấy ghép trong cơ thể có tác dụng
kiểm tra liên tục và đưa ra những hình ảnh về hồng cầu của
những bệnh nhân mang những nguy cơ lớn của những căn
bệnh làm chết người. Những ứng dụng có thể khác có thể kể
ra như những việc phân tích đất và không khí trong những
môi trường xung quanh có thể gây độc hại. hay bất cứ đâu có
thể đưa ra kết quả kiểm tra ngay lập tức trên hiện trường là
rất quan trọng. Thực tế, hệ thống lab-on-chip đã được tin
tưởng để có một tiềm năng như bây giờ là do những hệ thống
vi cơ điện tử đã được làm vào những năm 1980, và sự kết
hợp của hai lĩnh vực này sẽ chắc chắn dẫn tới những công
nghệ và những thiết bị căn bản mới với tác động lớn trên xã
hội hiện đại.
Một vài năm trước, đã có một sự phát triển lớn trong lĩnh vực
vi lưu hay vi kênh dẫn (microfluidics). Ví dụ, Thorsen đã báo
cáo sự tích hợp trong một mô hình lớn sử dụng một bộ trộn
dòng chảy với một mạch tương tự thành những mạch điện tử
tích hợp, cho phép kiểm tra địa chỉ của hàng nghìn ngăn độc
lập chỉ bởi 22 đường điều khiển bên ngoài. Cộng thêm công
việc của bộ khuyếch đại DNA trên bộ vi kênh, các quá trình
phản ứng trong bộ vi kênh chế tạo và những hệ thống phân
tách hay toàn bộ những hệ thống lab-on-chip cho thấy rằng
sự chuẩn bị các mẫu sinh học cho việc phân tích, phát hiện
các phân tử trong một thiết bị vi kênh tích hợp điện tử đang
là hướng phát triển và sẽ được thương mại hoá trong một vài
năm tới.
Sự liên quan của
các thiết bị dò tìm
phân tử các thiết bị

lab-on-chip tương
lai với những kỹ
thuật khác hiện
đang được ứng
dụng và tích cực
nghiên cứu. Tất cả
đều dựa vào
nguyên tắc phát
hiện sự lai hóa,
điều này cho phép
khả năng phân tích song song ở mức độ cao của nhiều phân
tử sinh học khác nhau (cho phép phân tích đồng thời nhiều
phân tử sinh học khác nhau), mỗi một phân tử riêng biệt
trong số chúng ở trong một vùng sensor có chức năng cụ thể
riêng biệt. Phương pháp này sử dụng nguyên lý chung khóa

Hình 1. Quá trình phân tích gene
không nhiễm bênh và tế bào HeLa
bị nhiễm HSV-1
và chìa với hầu hết các phân tử sinh học. Ví dụ, những kháng
thể kết hợp chính xác tới những kháng nguyên cụ thể, và
DNA luôn luôn xuất hiện với hai chuỗi bổ sung nhau (từ đầu
tới cuối). Vì vậy, bằng những vùng nhỏ có chức năng cụ thể
của một bộ dò với một trình tự thông thường của Sợi DNA
đơn với một trình tự đặc trưng (được gọi là probe DNA),
vùng này trở nên nhạy với những dãy DNA bổ sung tuần tự
trong vùng lân cận của nó (được gọi là chất gắn (analyte) hay
DNA đích (target DNA). Nguyên lý này được dùng trong
những vi dãy DNA (còn được gọi là DNA assays hay DNA
chips) (chú thích: DNA microarray (còn gọi là DNA chip hay

gene chip) là một tấm thủy tinh hoặc nhựa trên đó có gắn các
đoạn DNA thành các hàng siêu nhỏ.), ở đó mỗi chấm DNA
có kích thước cỡ một vài micro mét, gồm một dãy cụ thể các
loại cần để dò tìm sự có mặt của những chuỗi DNA bổ sung
trong dung dịch mẫu. Một DNA chip có thể gồm hàng nghìn
những chấm này, và nó là kết quả của quá trình nhỏ giọt của
các đầu dò DNA trên bề mặt của chip (mỗi giọt từ 0.1-1nl).
Để phân tích vị trí của các dãy DNA của một mẫu đưa ra,
dung dịch được trải ra toàn bộ bề mặt sensor, và kết hợp các
đầu dò, phân tích những chuỗi lai hóa tới từng chấm. Tới khi
trình tự và vị trí của mỗi chấm DNA dò được nhận biết, cấu
tạo của mẫu được vạch ra nếu số lượng của DNA phân tích
lai giống là được nhận diện cho mỗi chấm. Sự phát hiện ra
quá trình lai hóa có thể trực tiếp hoặc gián tiếp. Trong trường
hợp sớm hơn, những hạt từ chức năng hóa được liên kết cụ
thể tới chất gắn DNA lai hóa. Điều này có thể thực hiện được
bởi việc thay đổi chất gắn DNA trước khi lai hóa với đầu dò
DNA.
Một phương thức phổ biến là gắn những nhóm phân tử được
chức năng hóa bằng cách liên kết trực tiếp tới bề mặt của
những hạt từ hoặc hạt bán dẫn phát quang dùng trong công
nghệ chip.
Một phương pháp được sử dụng rộng rãi khác là phương
pháp dò tìm gián tiếp bằng thuốc nhuộm huỳnh quang với
các màu khác nhau. Trong tương lai, thuốc nhuộm hầu như sẽ
được thay thế bởi những tinh thể nano huỳnh quang bán dẫn.
(ví dụ: CdSe hay ZnS), nhưng nguyên lý thì vẫn giữ nguyên.
Những hạt từ chức năng hóa được kích thích bằng laze hoặc
ánh sáng cực tím, và cường độ tín hiệu huỳnh quang được đo
từ mỗi chấm DNA với một máy quét thích hợp. Màu và

cường độ chỉ ra những thông tin liên quan rất phong phú của
dãy DNA được gắn tương ứng trong dung dịch mẫu.
Một nhiệm vụ điển hình của chíp DNA là phân tích nhanh
các tế bào, giải quyết thông tin của mRNA ( RNA thông tin,
thông tin di truyền) trong một tế bào cụ thể. Cho tới khi hoạt
động của các protein được kết nối trực tiếp tới các mRNA
tương ứng của chúng, thông tin về trạng thái của tế bào có
thể được đưa ra, những thông tin này là rất quan trọng với
các mẫu để phân tích ảnh hưởng của virus hay những hoạt
động của thành phần thuốc. Thông thường tế bào quan tâm
được so sánh với một tế bào liên quan chưa qua xử lý, vì vậy
trong quá trình phân tích phải được lấy được từ hai mẫu trở
lên. Hình 1, thể hiện những bước phức tạp trong phép phân
tích nhanh của những tế bào HeLa (mô người hay những tế
bào da). Một nhóm gồm những tế bào liên quan không nhiễm
bệnh, trong khi đó số khác là bị nhiễm bởi HSV-1 virus
(những virus bệnh mụn rộp, kiểu 1). Thông tin di truyền
mRNA của mỗi nhóm tế bào là được cách ly và sao chép lại
vào cDNA dán nhãn thuốc nhuộm (DNA bổ sung), nhờ đó
những nhãn đỏ là được sử dụng cho những tế bào nhiễm bệnh
và những nhãn xanh là cho những tế bào không nhiễm bệnh.
Bây giờ, những mẫu cDNA là được đặt cùng nhau và được
lai hóa tới một chíp DNA, trên mỗi chấm đầu dò DNA gồm
những dãy đặc trưng với một protein cụ thể. Sau khi lai hóa,
những tín hiệu huỳnh quang của mỗi chấm đầu dò DNA được
thực hiện bởi một máy quét laze. Nhờ có sự khác nhãn,
những chấm đỏ chỉ ra những protein chính tạo bởi những tế
bào nhiễm bệnh, mặt khác những chấm xanh phát hiện một
sự giảm sút hoạt động của những protein tương ứng trong
những tế bào mang bệnh được so sánh với những tế bào

không mang bệnh. Nếu cả những nhóm của những tế bào
sinh ra cùng một khoảng protein cụ thể, thông tin trên chấm
đầu dò DNA xuất hiện màu vàng (sự pha trộn tương đương
của đỏ và xanh (green)). Do đó tác động của virus HSV-1
trong những tế bào Hella đã được nghiên cứu chỉ trong các sự
thử nghiệm song song ở mức độ cao. Trước khi có sự ra đời
của DNA chip, nó chỉ có thể phân tích một protein tại một
thời điểm. Điều này tạo ra một giới hạn lớn trong nghiên cứu
di truyền và chẩn đoán lâm sàng.
Ngày nay, các vi dãy DNA đã phát triển mạnh mẽ và có
nhiều sự lựa chọn hơn. Chúng đã được chế tạo sẵn theo một
yêu cầu công việc cụ thể và theo mong muốn của khách
hàng.